El vaso de expansión en instalaciones de energía solar térmica

El vaso de expansión es uno de los elementos de seguridad indispensables para que la instalación funcione correctamente, ya que su función es absorber la dilatación del fluido en el momento en el que se sobrecalienta.

Podemos encontrar varios tipos de vasos de expansión:

• Vasos de expansión abiertos: este tipo de vaso se encuentra en instalaciones de circuito abierto a la atmósfera y se sitúa en el punto más alto de la instalación. La altura mínima sobre el punto más alto de la instalación, que suelen ser los captadores, debe ser de 2 ó 3 metros.

• Vasos de expansión cerrados: este tipo es el que se utiliza más comúnmente en instalaciones solares térmicas, ya que la totalidad de ellas se realizan en circuito cerrado.

Esquema de una instalación solar térmica de circuito cerrado con vaso de expansión.

En este caso se trata de un recipiente cerrado herméticamente dividido en dos cámaras, una de gas (1) y otra de fluido (2), separadas por una membrana (3). Dicha membrana es flexible y permite que el volumen de las cámaras sea variable en función de las necesidades de cada momento.

Con este tipo de vaso de expansión, lo que se pretende es aportar una capacidad extra al circuito, en la que se absorba la expansión del fluido, por lo que debe estar dimensionado para aceptar dicha expansión en las condiciones más desfavorables.

Principio de funcionamiento

Cuando el fluido caloportador se calienta se expande produciendo una sobrepresión. Este aumento de la presión  hace que el empuje del fluido sobre la superficie de la membrana sea mayor que el empuje ejercido en el otro lado por la presión del gas y mayor que la resistencia a la flexión de la propia membrana. De esta manera, se produce una deformación de la membrana hacia la cámara del gas permitiendo la expansión del fluido hacia el vaso.

En el momento en el que el fluido se ha dilatado por completo el gas se encuentra comprimido, lo que provoca una sobrepresión en ese lado de la membrana. Pero esa ligera sobrepresión no supera en ningún caso el aumento de presión que se ocasionaría en el circuito si no se facilitara la expansión del fluido.

Finalmente, cuando el fluido se enfría se contrae reduciéndose así su presión. La sobrepresión alojada en la parte del gas produce entonces una deformación de la membrana hacia el lado del fluido, restaurándose la presión correspondiente a la temperatura más fría del fluido.

Dimensionado del vaso de expansión

La determinación del volumen del vaso de expansión es compleja y requiere la aplicación de diversas fórmulas para poder obtener finalmente su volumen nominal. En este apartado no entraremos en detalle en los pasos a seguir para determinar el volumen, pero sí en los factores más importantes a tener en cuenta para su cálculo.

El volumen nominal (Vn), o volumen interior del vaso, es la suma de los volúmenes de ambas cámaras. En la práctica, no es posible disponer de todo ese volumen interior, sino que en realidad disponemos solamente de una parte, denominada volumen útil (Vu). Cuando se expande el fluido, en la cámara del gas se produce una sobrepresión que provocaría la fuga de la válvula de seguridad antes de que su volumen fuese cero. Por dicho motivo, el vaso de expansión nunca puede estar lleno totalmente de fluido.

Según el “Código Técnico de la Edificación”, los vasos de expansión cerrados deben:

-          […] deberá estar dimensionado de tal forma que incluso después de la interrupción de suministro de potencia a la bomba de circulación del circuito de captadores, justo cuando la radiación sea máxima, se pueda restablecer la operación automáticamente cuando la potencia esté disponible de nuevo.

-  Cuando el medio de transferencia pueda evaporarse bajo condiciones de estancamiento hay que realizar un dimensionado especial del volumen del vaso de expansión: además de dimensionarlo como es usual en sistemas de calefacción cerrados […], el depósito de expansión deberá ser capaz de compensar el volumen del medio de transferencia de calor en todo el grupo de captadores completo incluyendo todas las tuberías de conexión entre captadores más un 10%.

Lo que la normativa nos indica es que, si se pueden producir condiciones de estancamiento en la instalación, se debe tener en cuenta que el vaso de expansión tenga la capacidad suficiente para compensar la dilatación de todo el fluido contenido en los colectores y las tuberías de conexión más un 10%. Este sería el denominado volumen desplazado por ebullición. Para determinar el volumen útil del vaso, además de este volumen, se debe considerar también:

-  El volumen máximo de expansión del fluido caloportador,

-  El volumen de reserva (Vres): hay que tener en cuenta que se pueden producir pérdidas de fluido caloportador imprevistas produciéndose una despresurización del circuito. Si la presión bajara más allá del valor mínimo establecido, la instalación dejaría de funcionar correctamente.  Para evitar este fenómeno podemos presurizar el circuito a una presión tal que una parte del fluido caloportador se aloje en el vaso de expansión. De tal manera que si se originaran pérdidas imprevistas se pudiera mantener la presión mínima necesaria. Este volumen de reserva se suele establecer entre el 1 y el 3% de la capacidad total del circuito.

-  El volumen desplazado por ebullición: si en la instalación existe la posibilidad de que se produzca ebullición, es decir, si se pueden dar condiciones de estancamiento, debemos considerar el volumen desplazado por el vapor. Si llega a producirse en el circuito, el vapor ocupa un volumen muy superior al del líquido evaporado, provocando el desplazamiento de la parte del fluido que aún se mantiene en estado líquido. Si no se prevé un volumen que acoja este fluido desplazado, la válvula de seguridad se abre provocando la pérdida de fluido caloportador.

En la imagen se puede apreciar, de izquierda a derecha, el vaso de expansión cerrado tal y como lo suministra el fabricante, conectado al circuito con el fluido frío y, por último, sometido a la máxima presión admisible. Siendo Pi la presión absoluta inicial, cuando el volumen ocupado por el gas coincide con el volumen nominal y Pf, la presión absoluta final, cuando el vaso de expansión ha admitido un volumen de fluido igual al volumen útil.

Donde ubicar el vaso de expansión

En principio, el vaso de expansión puede ir ubicado tanto a la ida como en el retorno de la instalación porque, al tratarse de un circuito cerrado, la expansión de fluido será la misma en un lado que en el otro. A pesar de ello, siempre es mejor ubicar todos los componentes, si es posible, en la parte fría de la instalación para una mayor durabilidad.

En este aspecto, el propio CTE ya nos indica dónde ubicar el vaso de expansión:

“Los vasos de expansión preferentemente se conectarán en la aspiración de la bomba.”

Una vez conocida la función y la importancia del vaso de expansión la pregunta es: ¿qué ventajas tienen las instalaciones con vaso de expansión frente a las que no lo tienen?

Actualmente existen varios sistemas que funcionan sin vaso de expansión y cuyo principio de funcionamiento se basa en el vaciado del campo de colectores. Dicho vaciado tiene lugar de formas diferentes según el sistema considerado: los hay que vacían el líquido caloportador en depósitos ya incorporados y otros simplemente sobredimensionan el serpentín del interacumulador para que el circuito primario contenga aire. Aire que en el momento deja de circular la bomba pasa a situarse en la parte superior de la instalación.

Los argumentos más comunes de este tipo de sistemas suelen ser: que evitan los problemas en caso de temperaturas extremas (ya sea frío o calor), que son más compactos y fáciles de instalar y que tienen un menor nivel de mantenimiento.

ARISTON posee una amplia gama de equipos de circulación forzada con vaso de expansión con ventajas superiores a los equipos de vaciado automático. De hecho, actualmente el catálogo de ARISTON proponedos equipos compactos que ofrecen más posibilidades: Kairos Fast y Genus Kairos Premium (equipo compacto con caldera de condensación incluida).

Ambos kits, están formados por  los colectores solares y un módulo de acumulación, que consta del propio acumulador y todos los elementos necesarios para el funcionamiento de la instalación solar ya premontados de fábrica, incluido el vaso de expansión y la centralita de regulación (excepto en Genus Kairos Premium, en el que se regula la instalación solar desde la caldera). En ambos casos se trata de kits de circulación forzada de montaje rápido, en los que solamente se deben conectar los colectores con el módulo de acumulación.

El resto de elementos ya vienen dimensionados y premontados en los equipos: la bomba, la válvula de seguridad, el separador de aire con el purgador, el acumulador también lleva un ánodo de protección electrónico que no requiere mantenimiento, la centralita con las sondas ya conectadas e introducidas en el acumulador, una mezcladora a la salida y, por último, un vaso de expansión de 18 litros dimensionado para una instalación como máximo de 25 metros. Aunque si la instalación tuviese que ser más larga hay espacio disponible para ubicar otro vaso de expansión.

Algunos kits, de la misma manera que en los sistemas de vaciado automático, también están protegidos contra temperaturas extremas. Contra las altas temperaturas, gracias al vaso de expansión y contra las heladas, gracias a que el fluido caloportador es una mezcla de agua con anticongelante. Además, siempre contando con la ayuda de la electrónica de la centralita para solucionar este tipo de problemas.

Debemos pensar que siempre es mejor que una instalación que está preparada para llevar líquido tenga líquido en el circuito. En realidad, los sistemas de vaciado automático, más que proteger contra la sobretemperatura, previenen la pérdida de fluido de la instalación. Debemos tener en cuenta que el aire se calienta más rápido y alcanza mayores temperaturas que el líquido caloportador, con lo que los elementos más débiles de la instalación, tales como gomas o juntas, sufren más y tienen una vida útil más corta que en los sistemas convencionales con vaso de expansión.

Además, no todos los sistemas sin vaso de expansión tienen sensores que determinen el mejor momento para realizar el vaciado y posteriormente, el llenado de la instalación. Con lo que si el colector se encuentra sometido a altas temperaturas, puede ocurrir que al volver a llenar el campo de colectores se produzca un cambio súbito de estado líquido a gas provocando reventones en puntos críticos de la instalación.

El vaso de expansión permite una mayor flexibilidad a la hora de realizar el recorrido del circuito primario y también a nivel de ubicación de los colectores y el acumulador. Los equipos de vaciado automático presentan más restricciones de instalación: se deben respetar distancias y desniveles máximos y realizar el recorrido de tubería del circuito primario con cierta pendiente. Si no se siguen estos requisitos de manera estricta es muy posible que el sistema no funcione correctamente.

En conclusión, el vaso de expansión es indispensable para la seguridad de las instalaciones de energía solar térmica ya que las protege de la sobretemperatura, siendo un elemento con un principio de funcionamiento sencillo a la vez que eficaz.

Como ya hemos explicado, los vasos de expansión cerrados también pueden formar parte de equipos compactos y de instalación rápida. Además, permiten una mayor flexibilidad de instalación y no se deben cumplir restricciones para su ubicación y funcionamiento dentro de la instalación, al contrario que en los equipos de vaciado automático.